音叉密度計(jì)測(cè)量天然氣的密度應(yīng)用

發(fā)展概況
密度與相對(duì)密度是天然氣重要的物理參數(shù) ,它與天然氣的開發(fā)、燃燒、計(jì)量等工藝過程密切相關(guān)。測(cè)定天然氣密度有兩類方法 :一類是先測(cè)定天然氣的組成 ,再以組成分析數(shù)據(jù)計(jì)算天然氣的密度 (間接方法) ,國家標(biāo)準(zhǔn)“天然氣”( GB17820 —1999) 也規(guī)定可以 此 法 計(jì) 算 天 然 氣 密 度 , 而 計(jì) 算 則 按 GB/T11062 —1998 的規(guī)定[1 ] ;另一類方法是用儀器直接測(cè)定 ,此類方法我國尚未發(fā)布標(biāo)準(zhǔn) ,但國際標(biāo)準(zhǔn)化組織天然氣技術(shù)委員會(huì) ( ISO/ TC193) 已于 2000 年 3 月完成了國際標(biāo)準(zhǔn)草案[2 ] ,將于今年正式出版。

國際標(biāo)準(zhǔn)草案推薦用兩種儀器測(cè)定天然氣密度。一種是密度天平 ,另一種是振動(dòng)式密度計(jì)。前者一般應(yīng)用于非在線測(cè)定 ,后者則主要應(yīng)用于在線或離線測(cè)定。目前歐美國家天然氣的交接計(jì)量經(jīng)常用能量計(jì)量 ,在采用此類計(jì)量方式的大型計(jì)量站中 ,天然氣的密度往往要同時(shí)采用上述兩類方法進(jìn)行測(cè)定[3 ] ,并相互核對(duì) ,在此類工況條件下采用振動(dòng)式密度計(jì)較為方便。由于我國也將開展能量計(jì)量的試點(diǎn)工作 ,天然氣密度的直接測(cè)定是其中一個(gè)重要組成部分 ,為此 ,本文將對(duì)其原理、安裝、操作等方面涉及的問題作一扼要介紹。

測(cè)量原理
音叉密度計(jì)的核心元件是傳感器 —振動(dòng)器 ,
它能保持自然頻率振動(dòng) ,而此頻率值則與其所處的氣體介質(zhì)密度有關(guān)。在工況條件下進(jìn)行測(cè)定時(shí) ,振動(dòng)頻率與氣體密度之間的關(guān)系式見式 (1) ρ r = K0 + K1 (1/ f) + K2 (1/ f) 2 (1) 式中 :ρ r 為粗密度 ,即未經(jīng)溫度、壓力和氣體組
成校正前的密度 ,kg/ m3 ; f 為振動(dòng)頻率 , Hz ; K0 , K1 ,
K2 為密度計(jì)的振動(dòng)器常數(shù)。
在測(cè)定天然氣密度之前 ,先用某種已知密度的參比氣體進(jìn)行校準(zhǔn)(calibration) ,從而確定式(1) 中的 3 個(gè)常數(shù)。此時(shí)使用的公式見式 (2) 。除溫度、壓力、氣體組成等影響因素外 ,如果在被測(cè)定樣品天然氣中的聲速 (VOS) 不同于校準(zhǔn)用的參比氣體 ,則也要用式(2) 加以校正。原則上制作振動(dòng)元件的材料性質(zhì)與所處介質(zhì)的壓力有關(guān) ,但在大多數(shù)情況下壓力的影響甚小 ,可以忽略不計(jì)。因此 ,式 (2) 是一個(gè)溫度校正式。
ρ t = ρ r[1 + K3 ( td - tc) ] + K4 ( td - tc) (2) 式中 :ρ t 溫度校正后的密度 ,kg/ m3 ; tc 為校準(zhǔn)時(shí)的溫度 , ℃; td 為測(cè)定時(shí)的溫度 , ℃; K3 , K4 為密度計(jì)的振動(dòng)器常數(shù)。
式(1) 中的 3 個(gè)常數(shù)與振動(dòng)器所接觸的氣體組成有關(guān)。由于在操作條件下氣體中的聲速 (VOS) 與氣體其它氣質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系已被詳細(xì)測(cè)定 ,故可以利用 VOS 來校準(zhǔn)儀器從而確定這 3 個(gè)常數(shù)。如果在校準(zhǔn)用參比氣體中的 VOS 不同于被測(cè)定天然氣 ,則經(jīng)過組成校正后的密度 (ρ c) 與式 (2) 中的ρ t 存在如式(3) 所示的關(guān)系。
式中 : cc 為在測(cè)定操作條件下校準(zhǔn)用參比氣體(cg)中的聲速 ,m/ s; cg 為在被測(cè)定天然氣中的聲速 ,
m/ s; K5 為常數(shù)。
式(3) 中的 cg 與被測(cè)定天然氣的組成有關(guān)。它可以直接測(cè)定(如通過超聲流量計(jì)的信號(hào)) ,也可以通過ρ c 、td 和氣質(zhì)參數(shù)計(jì)算而得。一般 cg 變化達(dá)到 10 m/ s 時(shí)式(1) 中的校正項(xiàng)上變化約 0. 05 %。若要求的測(cè)定準(zhǔn)確度不是非常高 ,且 cg 與 cc 之間的差值不大 ,也可以直接用ρ t ,不再進(jìn)行有關(guān)氣體組成的校正。
儀器結(jié)構(gòu)與使用
音叉密度計(jì)有單振動(dòng)元件和雙振動(dòng)元件兩種類型 ,其結(jié)構(gòu)分別如圖 1 和圖 2 所示。
圖 1 單振動(dòng)元件音叉密度計(jì)的結(jié)構(gòu)
如圖所示 ,音叉密度計(jì)分為兩個(gè)室。一個(gè)是全封閉的參比室 ,其中充注有與被測(cè)定天然氣相似的參比氣體。被測(cè)定的樣品天然氣連續(xù)通過另一個(gè)室 (測(cè)定室) ,用平衡器保持其壓力與參比室相等。密度計(jì)的設(shè)計(jì)要保證兩個(gè)室的溫度相同。
校準(zhǔn)時(shí)將密度計(jì)連接到參比氣體氣源上。參比氣體可用某種純度大于 99.95 %的純氣體 ,或者組成固定的氣體混合物。參比氣體在操作條件下應(yīng)有與被測(cè)定氣體相同 (或十分接近) 的壓縮因子和
VOS。校準(zhǔn)的時(shí)間間隔為 1 年或更長時(shí)間。
圖 2 雙振動(dòng)元件密度計(jì)的結(jié)構(gòu)
密度計(jì)的過濾器應(yīng)經(jīng)常檢查 ,并按被測(cè)定天然氣的氣質(zhì)狀況定期更換。
當(dāng)計(jì)量站中設(shè)置有兩種類型的密度測(cè)定系統(tǒng)時(shí) ,兩者的測(cè)定結(jié)果應(yīng)隨時(shí)比較 ,若兩者的偏差超過預(yù)先設(shè)定的極限 ,密度計(jì)應(yīng)能自動(dòng)報(bào)警。
安裝與取樣
音叉密度計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的安裝大致有 3 種不同的方式 :
第 1 種方式是在線安裝 ,使用壓力回收的方法把密度計(jì)安裝在孔板計(jì)量系統(tǒng)中 ,如圖 3 所示。
第 2 種方式是離線安裝 ,如圖 4 所示。當(dāng)計(jì)量系統(tǒng)采用超聲波流量計(jì)時(shí) ,通常采用此種安裝方式。
第 3 種方式也屬于離線安裝 ,但把過濾器安裝在保溫夾套中 ,從而進(jìn)一步減少樣品氣管線與周圍環(huán)境之間的熱交換 ,如圖 5 所示。
在安裝與取樣過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn) :
1.氣體對(duì)溫度的影響十分敏感 ,必須保持恒溫以滿足校準(zhǔn)和使用的要求。密度計(jì)上的測(cè)溫元件應(yīng)為一種經(jīng)校準(zhǔn)的 Pt - 100 元件 ,并直接置于密度計(jì)測(cè)定室中。
2.為使反沖時(shí)間減至最少 ,整個(gè)管線系統(tǒng)的阻力降要小 ,使流過儀器的氣體壓力盡可能接近取樣點(diǎn)的壓力。
3.若樣品天然氣中含有會(huì)造成污染儀器的雜質(zhì) ,應(yīng)設(shè)置高效率的過濾器 ;并注意防止因樣品氣壓力降產(chǎn)生的溫度降而導(dǎo)致樣品天然氣的組成發(fā)生變化。
4.樣品天然氣的流速應(yīng)嚴(yán)加控制。
5.應(yīng)滿足危險(xiǎn)區(qū)域 (易燃?xì)怏w) 的安裝與操作要求。
6.在線儀器應(yīng)采用收縮式取樣頭 ,其安裝應(yīng)按
ISO17051 的規(guī)定。
7.若采用圖 5 所示的安裝方式 ,應(yīng)注意避免噪音和管線震動(dòng)對(duì)振動(dòng)器產(chǎn)生的影響。
8.若音叉密度計(jì)內(nèi)與管線內(nèi)的天然氣溫度無法達(dá)到一致 ,則兩者的差值可以式(4) 計(jì)算。

ρ l = ρ c td pl Zd (4) tl pd Zl

式中 : td 為密度計(jì)傳感器的溫度 ; tl 為管線內(nèi)的溫度 ; pd 為密度計(jì)的壓力 (一般可視為等于管線上取樣位置的壓力) ; pl 為管線上取樣位置的壓力 ; Zd 為密度計(jì)中天然氣的壓縮因子 (可以組成計(jì)算) ; Zl 為管線上取樣位置天然氣的壓縮因子 (可以組成計(jì)算) 。
檢定( verification)與維修
使用過程中應(yīng)隨時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行檢定[4] ,若發(fā)現(xiàn)問題立即進(jìn)行維修 ,隨后再次檢定或校準(zhǔn)。主要項(xiàng)目如下 :
1.零點(diǎn)檢定若密度計(jì)振動(dòng)器在真空中的頻率是固定的 ,則在大多數(shù)情況下密度計(jì)的主要常數(shù)也不會(huì)變化。檢定時(shí) ,將密度計(jì)抽真空 ,使之壓力降到正常操作壓力的 0.1 %以下 ,測(cè)定并記錄其振動(dòng)頻率 ,若后者與在實(shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)時(shí)測(cè)定值的差值 ,相應(yīng)在正常操作時(shí)密度測(cè)定值的 0.02 %以內(nèi)是可以接受的。超過 0.02 %則表明儀器的靈敏度有變化 , 或者振動(dòng)器上沉積有雜質(zhì) ,應(yīng)重新校準(zhǔn)。
2.壓力變化試驗(yàn)此項(xiàng)試驗(yàn) (僅針對(duì)離線安裝) 是檢定密度計(jì)的壓力是否等于樣品管線中天然氣在流動(dòng)條件下的壓力。若觀察到測(cè)得的密度突然發(fā)生變化 ,應(yīng)檢查是否有堵塞。壓力突然變化而產(chǎn)生的對(duì)密度的影響 ,不會(huì)與樣品天然氣流經(jīng)密度計(jì)時(shí)的停頓導(dǎo)致溫度變化而產(chǎn)生的對(duì)密度的影響相混淆。前者是一種突然的變化 ,后者是緩慢的變化。
3.一致性檢定測(cè)得的密度值應(yīng)與預(yù)期值(以手動(dòng)或自動(dòng)的方式) 進(jìn)行比較 ,預(yù)期值可以根據(jù)天然氣組成、溫度和壓力計(jì)算而得。天然氣的組成可以用氣相色譜法分析 ( GB/ T13610 —1992)。當(dāng)兩者之間偏差大于 0.5%時(shí) ,自動(dòng)比較系統(tǒng)的報(bào)警器應(yīng)發(fā)出信號(hào) ,隨后應(yīng)立即對(duì)儀器進(jìn)行檢定。
4.維修過濾器應(yīng)定期檢查 ,并按檢查結(jié)果決定是否更換。兩次檢查之間的間隔則由操作條件下的天然氣氣質(zhì)決定。
幾點(diǎn)看法
1.用音叉密度計(jì)測(cè)定天然氣密度是天然氣能量計(jì)量的一個(gè)重要組成部分。
2.在大規(guī)模交接計(jì)量中 ,經(jīng)常要使用通過天然氣組成分析計(jì)算密度和密度計(jì)直接測(cè)定密度兩類方法互相校核。
3.ISO/ TC193 即將出版的國際標(biāo)準(zhǔn)推薦使用密度天平和振動(dòng)式密度計(jì)兩種儀器測(cè)定天然氣密度。
4.振動(dòng)式密度計(jì)比較適合于在線或離線測(cè)定。
5.我國目前在天然氣密度直接測(cè)定方面開展的研究工作不多 ,也尚未頒布有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) ,應(yīng)引起我們充分重視。